在OpenFOAM中对Maxwell–Stefan扩散模型进行的高性能计算优化 池子欣（Zixin Chi）、 惠欣（Xin Hui） 以及 王博森（Bosen Wang）

《Applied Sciences》：High-Performance Computing Optimization of the Maxwell–Stefan Diffusion Model in OpenFOAM Zixin Chi, Xin Hui and Bosen Wang

　　

摘要

基于Maxwell–Stefan公式的多组分扩散模型由于其比简化扩散模型更高的物理准确性，在高保真燃烧模拟中得到了广泛应用。然而，Maxwell–Stefan模型的计算复杂性（源于多组分传输方程的求解）成为大规模CFD模拟中的主要性能瓶颈。在这项工作中，我们在OpenFOAM框架内开发了一种针对Maxwell–Stefan扩散模型的高性能计算优化策略。所提出的方法通过基于块的计算和面向向量化的数据组织方式，更好地利用了现代CPU架构和SIMD指令集的功能，从而提高了计算效率。优化后的实现增强了内存局部性，提高了数据重用效率，并减少了缓存未命中带来的性能损失。通过二维层流对流火焰案例和氨-氢湍流燃烧案例（包括预混和非预混射流火焰）进行了数值验证。结果表明，优化后的Maxwell–Stefan实现保持了数值精度，同时显著提升了计算性能。根据化学物种的数量不同，计算速度提高了2.5倍至4.5倍。该方法为涉及大量化学机制的详细燃烧模拟提供了一种高效的解决方案。测试案例和源代码已公开共享。